(57)【要約】【課題】  照射する光の試料への影響が少なく、かつ感度の高いメカニカル検出器および検出装置を提供する。【解決手段】  半導体材料からなる片持ち梁２１を備え、片持ち梁２１の弾性的な変形を検出することにより、この片持ち梁２１に加わった微小な力を高感度に検出するメカニカルなメカニカル検出器である。このメカニカル検出器は、片持ち梁２１を構成する半導体材料２１Ａからの透過スペクトルの変化から、片持ち梁２１の弾性的な変形を検出する検出手段（波長可変レーザー光源２２、光検出器２３）を有する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料（１Ａ、２１Ａ）からなる梁、または前記半導体材料を（１Ａ、２１Ａ）少なくともその一部として含む梁を備え、
前記梁の弾性的な変形を検出することにより、この梁に加わった微小な力を高感度に検出するメカニカル検出器において、
前記梁の全部あるいは一部を構成する前記半導体材料（１Ａ、２１Ａ）から発せられる蛍光あるいは透過あるいは反射スペクトルの変化、または、特定の光波長における蛍光あるいは透過あるいは反射強度の変化から、前記梁の弾性的な変形を検出する検出手段を有することを特徴とするメカニカル検出器。
【請求項２】
前記検出手段の全部あるいは一部を、前記梁と連続する材料素片から作製したことを特徴とする請求項１に記載のメカニカル検出器。
【請求項３】
請求項１、２記載のメカニカル検出器と等価な構造をその全部あるいは構成要素として含む検出装置であって、
加速度、磁気、電荷、変位、質量、分子、および原子の１つによって、前記梁に弾性的な変形を発生させる発生手段を有することを特徴とする検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細加工によって作製した梁の弾性的な変形を検知することにより、梁に加わった微小な力あるいは他の物理量を高感度に検出するメカニカルな検出器および検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
メカニカル力検出器は、民生機器用素子として用いられる。この素子の一例は、次のように作られる。リソグラフィーに代表される微細加工技術を用い、シリコン等の固体薄膜を梁状に加工して、メカニカル力検出器の梁が形成される。このメカニカル力検出器によれば、梁の弾性的な変位を、電気的あるいは光学的に検出することにより、この検出器に加わった微小な力を検知する。
【０００３】
このようなメカニカル力検出器は、走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーや加速度センサーなど、民生機器用素子として広く用いられている。メカニカル力検出器として、例えば光てこ式検出器がある。光てこ式検出器は、梁に照射したレーザー光の反射角度を、４分割光検出器で測定することにより、梁の弾性的変形を検出する。光てこ式検出器は、走査型プローブ顕微鏡に広く用いられている。このような光学式力検出器は、梁の弾性変形を用いる、あらゆる高感度センサーの基本素子として重要である（非特許文献１）。
【０００４】
光学式力検出器である光てこ式検出器の例を図６に示す。図６の光てこ式検出器は、Ｓi薄膜からなる片持ち梁１０１、半導体レーザー装置１０２、および４分割光検出素子１０３を備えている。この光てこ式検出器では、半導体レーザー装置１０２から照射されたレーザー光１１１が片持ち梁１０１で反射される。反射光１１２が４分割光検出素子１０３の中央に照射されるように、４分割光検出素子１０３の位置が調整されている。
【０００５】
この光てこ式検出器では、片持ち梁１０１の先端に力が加わり、片持ち梁１０１がたわむと、反射光１１２の反射方向が変化する。この反射方向の変化は、４分割光検出素子１０３における反射光１１２の照射位置に変化を与える。この変化は、４分割光検出素子１０３の受光領域１０３Ａ〜１０３Ｄの相対強度を変化させる。したがって、この相対強度の変化を検出することにより、片持ち梁１０１のたわみを検出することができる。この結果、片持ち梁１０１に加わった力を検出することが可能である。
【非特許文献１】アプライド・フィジックス・レター誌、５３巻、１２号、１９８８年、１０４５−１０４７頁（Applied Physics Letter, Volume53, No.12, 1988 pp.1045-1047）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の光てこ式検出器は、前記の動作原理より明らかなように、梁のしなりを、梁表面の傾きと変位とに変換して計測している。この結果、高い感度を得るためには、レーザー光を梁の先端近傍に照射する必要がある。実際、梁の根元部分では、しなりによる表面の傾きは殆ど生じない。
【０００７】
しかし、実際の応用においては、梁の先端には計測対象となる試料が近接している。たとえば、原子間力顕微鏡では、梁の先端に探針が取り付けられ、その探針の先端部を試料に近接させ、試料表面の形状を計測する。したがって、レーザー光の一部が力を計測する対象物に照射されることは避けられない。光照射によって、その物性が変化する試料では、計測による試料の擾乱が無視できないという問題点が生じる。
【０００８】
同じ状況は、同様にメカニカル力検出器に用いられているドップラー干渉計でも生じる。ドップラー干渉計では、レーザー光を梁の先端に照射し、反射したレーザー光と照射するレーザー光との干渉によって、梁の先端の変位を計測する。このドップラー干渉計では、直接検出するのは梁の変位である。梁の変位は梁の先端に近づくほど大きくなるため、感度向上のためには、レーザー光を梁先端近傍に照射させる必要がある。このため、上述の光てこ式検出器と同様に、やはり試料への影響が避けられない。
【０００９】
本発明は前記の課題を解決し、照射する光の試料への影響が少なく、かつ感度の高いメカニカル検出器および検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、半導体からなる梁、または半導体材料を少なくともその一部として含む梁を備え、前記梁の弾性的な変形を検出することにより、この梁に加わった微小な力を高感度に検出するメカニカル検出器において、前記梁の全部あるいは一部を構成する前記半導体材料から発せられる蛍光あるいは透過あるいは反射スペクトルの変化、または、特定の光波長における蛍光あるいは透過あるいは反射強度の変化から、前記梁の弾性的な変形を検出する検出手段を有することを特徴とするメカニカル検出器である。
請求項２の発明は、請求項１に記載のメカニカル検出器において、前記検出手段の全部あるいは一部を、前記梁と連続する材料素片から作製したことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１、２記載のメカニカル検出器と等価な構造をその全部あるいは構成要素として含む検出装置であって、加速度、磁気、電荷、変位、質量、分子、および原子の１つによって、前記梁に弾性的な変形を発生させる発生手段を有することを特徴とする検出装置である。
【００１１】
前記構成のメカニカル検出器および検出装置により、半導体の蛍光、反射、あるいは透過スペクトルを用いて、梁の弾性的な変形を検出できる理由は以下のとおりである。
【００１２】
梁にたわみを与えると、梁を構成している結晶は歪を受ける。すなわち、本発明において、梁の全部あるいは一部を構成している半導体にも歪が加わる。
【００１３】
一方、半導体の蛍光スペクトルや透過あるいは反射スペクトルは、半導体のバンド構造を反映する。つまり、半導体に歪を加えると、バンド構造は変形ポテンシャル効果と圧電効果とにより変化する。したがって、蛍光スペクトルや透過あるいは反射スペクトルを測定することにより、半導体に加えられた歪を検出することが可能である。
【００１４】
ゆえに、力を検出するために用いる半導体を梁状に加工して素片を形成し、この素片を構成する半導体の蛍光、透過、あるいは反射スペクトルを測定することにより、素片に加えられた力を検出することが可能である。
【００１５】
さらに、前記の構造を有することにより、照射するレーザー光の試料への影響を低減させ測定できる理由は以下のとおりである。
【００１６】
前記の光てこ式検出器ならびにドップラー干渉計を用いた力検出器と、本発明とが大きく異なる点は次のとおりである。光てこ式検出器ならびにドップラー干渉計では梁の傾き、あるいは変位を計測しているのに対し、本発明では梁に加えられた内部歪を計測している点である。
【００１７】
片持ち梁にたわみを与えた場合、内部歪が最も大きくなる位置は梁を固定している根元の部分であり、測定する試料が近接する先端部分ではない。このため、蛍光、透過、あるいは反射スペクトルの測定のための照射光を、計測対象である試料から最も離れた位置、例えば梁の根元部分に照射することができ、照射光の試料への影響を低減させることが可能である。
【００１８】
すなわち、本発明の本質は、梁の構成要素として半導体を用い、半導体の光学的特性の変化を通じて、梁内部の歪を計測することにより、梁先端から最も離れた位置に、計測のための光を照射することを可能とした点にある。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、梁の構成要素として半導体を用い、半導体の光学的特性の変化を通じて梁内部の歪を計測することにより、梁の根元部分に計測光を照射することができ、計測光の影響を梁先端近傍に与えず、感度の高い力検出器を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
つぎに、本発明の実施形態について、図面を用いて詳しく説明する。
［実施形態１］
本実施形態によるメカニカル検出器では、梁を構成する材料として高純度ＧaＡsが用いられている。本実施形態によるメカニカル検出器を図１に示す。このメカニカル検出器は、片持ち梁１と、レーザー光源２と、蛍光集光用レンズ３と、ミラー４と、分光器５と、光検出器６とを備えている。
【００２１】
片持ち梁１は、高純度ＧaＡs薄膜１Ａを加工して作製されている。レーザー光源２は、片持ち梁１の根元部分に向けて励起用のレーザー光１１を出力する光源である。根元部分は、片持ち梁１が変位したときに、最も歪が大きくなる部分である。蛍光集光用レンズ３は、片持ち梁１からの蛍光１２を集光し、ミラー４は、蛍光集光用レンズ３の集光した蛍光１３を分光器５に向けて反射する。分光器５は、ミラー４で反射された蛍光１４をスペクトルに分解し、光検出器６は、分光器５が分光したスペクトルの強度を検出する。本実施形態では、レーザー光源２、蛍光集光用レンズ３、ミラー４、分光器５、および光検出器６が、片持ち梁１の弾性的な変形を検出する検出手段を構成する。
【００２２】
前記の構成のメカニカル検出器によれば、レーザー光源２から照射されたレーザー光１１は、片持ち梁１の根元部分のＧaＡsの電子正孔対を励起する。電子正孔対の再結合によって放出される蛍光は、蛍光集光用レンズ３およびミラー４によって分光器５の入り口に集光され、分光器５により波長を選択されたのち、光検出器６によって強度が検出される。
【００２３】
高純度ＧaＡsは、非常に鋭い蛍光スペクトルを示すことが知られている。このＧaＡsに歪を加えると、変形ポテンシャル効果と圧電効果とにより、ＧaＡsのバンドギャップは変調される。その結果、蛍光スペクトルも変化を示す。この様子を図２に示す。図２では、歪を加える前のＧaＡsの蛍光スペクトルａ１と歪を加えた後のＧaＡsの蛍光スペクトルａ２とを示している。ＧaＡsのバンドギャップに相当する波長において強い蛍光強度が得られるが、前述のように歪によりバンドギャップの大きさは変形ポテンシャル効果と圧電効果とにより変化する。このため、蛍光スペクトルもａ１からａ２に変化する。
【００２４】
分光器５が選択する波長は、歪によって大きな変化が得られる値に一致させる。すなわち、図２において、例えば波長Ｆ１の位置に固定する。この結果、歪を加える前に光検出器６によって計測される蛍光強度がＤ１であるのに対し、歪を加えた後に計測される蛍光強度はＤ２となり、歪の有無によりΔ１の大きさの蛍光強度の変化が得られる。
【００２５】
今、片持ち梁１に力が加わり、たわみが生じたとする。このたわみにより、蛍光強度を計測しているＧaＡsに歪が加わる。その結果、既に説明したように、蛍光強度の変化が得られ、片持ち梁１に加えられた力が検出される。すでに記載したように、光を照射する部分は最も歪が大きくなる、片持ち梁１の根元部分であり、透過率を測定するレーザー光１１の、試料に与える影響が極めて小さな力検出器を作製することができる。
【００２６】
［実施形態２］
本実施形態によるメカニカル検出器は、ＧaＡsの光透過強度を用いて計測する力検出器である。本実施形態でも、梁を構成する材料として高純度ＧaＡsが用いられている。本実施形態によるメカニカル検出器を図３に示す。このメカニカル検出器は、片持ち梁２１と、波長可変レーザー光源２２と、光検出器２３とを備えている。
【００２７】
片持ち梁２１は、高純度ＧaＡs薄膜２１Ａを加工して作製されている。本実施形態では、波長可変レーザー光源２２が光検出器２３を備え、波長可変レーザー光源２２と光検出器２３とは、片持ち梁２１の根元部分を挟むように配置されている。波長可変レーザー光源２２から照射された照射レーザー光３１は、片持ち梁２１の根元部分のＧaＡs結晶を透過する。透過レーザー光３２は、光検出器２３によって強度が計測される。本実施形態では、片持ち梁２１の弾性的な変形を検出する検出手段は、波長可変レーザー光源２２と光検出器２３とで構成されている。
【００２８】
高純度ＧaＡsは、非常に急峻な透過スペクトルを示すことが知られている。このＧaＡsに歪を加えると、変形ポテンシャル効果と圧電効果とにより、ＧaＡsのバンドギャップは変調される。その結果、透過スペクトルも変化を示す。この様子を図４に示す。図４では、高純度ＧaＡsの歪を加える前の透過スペクトルａ１１と、歪を加えた後の透過スペクトルａ１２を示している。ＧaＡsのバンドギャップに相当する波長より短い波長において、光の透過強度は急激に減少する。前述のように、歪によりバンドギャップの大きさは変形ポテンシャル効果と圧電効果とにより変化する。このため、透過スペクトルもａ１１からａ１２に変化する。
【００２９】
波長可変レーザー光源２２の発振波長は、歪によって大きな変化が得られる値に一致させる。すなわち、図４において、例えば波長Ｆ１１の位置に固定する。この結果、歪を加える前に光検出器２３によって計測される透過強度がＤ１１であるのに対し、歪を加えた後に計測される透過強度はＤ１２となり、歪の有無によりΔ１１の大きさの透過強度の変化が得られる。
【００３０】
今、片持ち梁２１に力が加わり、たわみが生じたとする。このたわみにより、透過強度を計測しているＧaＡsに歪が加わる。その結果、既に説明したように、透過強度の変化が得られ、片持ち梁２１に加えられた力が検出される。すでに記載したように、光を照射する部分は最も歪が大きくなる、片持ち梁２１の根元部分であり、透過率を測定する照射レーザー光３１の試料に与える影響が極めて小さな力検出器を作製することができる。
【００３１】
［実施形態３］
前記の２つの実施形態では、蛍光、反射、透過スペクトルあるいは強度を計測する装置つまり検出手段が、梁と個別に構成する場合を示した。本実施形態では微細加工技術を用いて、梁および計測部品をすべて一体の半導体素片から作製している。このようにして作製したメカニカル検出器を本実施形態として図５に示す。本実施形態によるメカニカル検出器は、ＧaＡs基板４１と、光検出器層構造４２と、光検出素子４２Ａと、Ａl０.７Ｇa０.３Ａs犠牲層４３と、高純度ＧaＡs層４４と、高純度ＧaＡs片持ち梁４４Ａと、Ａl０.７Ｇa０.３Ａs犠牲層４５と、面発光レーザー層構造４６と、面発光レーザー素子４６Ａとを備えている。
【００３２】
本実施形態では、分子線エピタキシなどの薄膜結晶成長によって作製した半導体多層構造を用いる。この半導体多層構造は、半絶縁ＧaＡs基板４１上に設けられた、光検出器層構造４２、Ａl０.７Ｇa０.３Ａs犠牲層４３、高純度ＧaＡs層４４、Ａl０.７Ｇa０.３Ａs犠牲層４５、および面発光レーザー層構造４６によって構成される。
【００３３】
光検出器層構造４２は、光検出素子４２Ａを構成するＩnＧaＡsを活性層とする層構造である。Ａl０.７Ｇa０.３Ａs犠牲層４３は、選択エッチングにより除去される犠牲層である。高純度ＧaＡs層４４は、高純度ＧaＡs片持ち梁４４Ａを構成する。Ａl０.７Ｇa０.３Ａs犠牲層４５は、選択エッチングにより除去される犠牲層である。面発光レーザー層構造４６は、これを構成するＩnＧaＡsあるいはＡlＧaＡs活性層を含む層構造である。ここで光検出器層構造４２は、光検出素子４２Ａを構成するのに必要なすべての半導体薄膜を含み、面発光レーザー層構造４６は、面発光レーザー素子４６Ａを構成するのに必要なすべての半導体薄膜構造を含んでいるものとする。
【００３４】
前記の多層構造に対し選択エッチングを用いたリソグラフィー加工を行い、面発光レーザー素子４６Ａ、高純度ＧaＡsからなる片持ち梁４４Ａ、および光検出素子４２Ａを作製する。このとき、面発光レーザー素子４６Ａと光検出素子４２Ａとは、高純度ＧaＡs片持ち梁４４Ａの根元部分を挟むように配置される。本実施形態では、面発光レーザー素子４６Ａと光検出素子４２Ａとが検出手段を構成する。
【００３５】
本実施形態では、面発光レーザー素子４６Ａから照射された照射レーザー光５１は、高純度ＧaＡs片持ち梁４４Ａの根元部分を透過する。高純度ＧaＡs片持ち梁４４Ａの透過レーザー光５２は、光検出素子４２Ａによってその強度が計測される。そして、実施形態２と同様に、高純度ＧaＡsの透過スペクトルは、図４に示した急峻な波長依存性を示す。ここで、面発光レーザー層構造４６を構成するＩnＧaＡs活性層のＩn組成、あるいはＡlＧaＡs活性層のＡl組成を調整することにより、面発光レーザー素子４６Ａの発振波長を図４の波長Ｆ１１の位置に設定するものとする。これにより、実施形態２と全く同じ原理により、光検出素子４２Ａにより高純度ＧaＡs片持ち梁４４Ａに加えられた微小な力を検出することが可能である。
【００３６】
［実施形態４］
前記の各実施形態では、検出する対象が、メカニカル検出器の半導体に加えられる力の場合についてのみ示したが、本実施形態では、各実施形態のメカニカル検出器を用いて各種測定を行う検出装置について説明する。本実施形態では、メカニカル検出器の片持ち梁の先端近傍に、磁性材料を設ける。この構成によれば、メカニカル検出器に磁気が加えられると、磁性材料を備える片持ち梁が変位するので、磁気の検出が可能である。なお、この場合には、弾性的な変形を発生させる発生手段が磁気材料である。
【００３７】
また、前記の磁性材料の代わりに、片持ち梁の先端近傍に導電体を設け、さらに、メカニカル検出器に電界を加える。この構成によれば、片持ち梁の導電体が帯電すると、電界により片持ち梁がしなる。この結果、片持ち梁の導電体に帯電した電荷を検出することができる。この場合には、前記の発生手段が導電体および電界である。
【００３８】
また、メカニカル検出器の片持ち梁の先端近傍の質量変化により、片持ち梁の共振周波数が変化する。つまり、外部から加振した片持ち梁の共振周波数の変化を電気的に検出することにより、分子、原子、微小物質、微小粒子などの質量を検出することができる。この場合には、前記の発生手段が、片持ち梁の加振構造である。
【００３９】
さらに、片持ち梁の先端の変位や、素子全体が持つ加速度も、片持ち梁のしなりを引き起こすため、これらの変位や加速度の検出素子として、メカニカル検出器を用いることができる。この場合には、前記の発生手段が片持ち梁自体である。
【００４０】
こうして、本実施形態により、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、等価の構造を用い、加速度、磁気、電荷、変位、質量、分子、原子などあらゆる種類の物理量や微小物質・粒子のメカニカル検出器の作製が可能である。
【００４１】
以上、本発明の実施形態１〜４を詳述してきたが、具体的な構成は各実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれる。たとえば、実施形態２においては、透過強度を計測する場合を示したが、反射強度を計測することによっても、同様の効果が得られることは明白である。
【００４２】
また、各実施形態においては、半導体材料としてＧaＡsを用いたが、歪の大きさに依存する蛍光、反射、透過スペクトルを持つあらゆる種類の半導体材料を用いることも可能である。
【００４３】
また、各実施形態においては、半導体材料としてＧaＡsの単層構造を用いたが、量子井戸構造や量子ドット構造を含む、あらゆる種類の半導体積層構造を用いることが可能なことは明白である。
【００４４】
また、各実施形態においては、蛍光、透過、および反射スペクトルとしてバンド端に基づく光学遷移を用いたが、不純物準位に基づく光学遷移はもとより、希土類原子をドープした半導体などを用いて、内殻準位に基づく光学遷移を用いることも可能である。
【００４５】
また、各実施形態においては、梁全体に半導体を用いる場合について示したが、蛍光、透過、反射スペクトルもしくは強度を測定する根元部分のみに半導体を用いることも可能である。
【００４６】
また、各実施形態においては、梁の弾性変形として「たわみ」が生じる場合を用いたが、一般にどのような梁構造においても最も大きな歪のかかる場所と、最も大きな変位が得られる場所は相対する位置にあり、他の弾性変形である「ねじり」、「圧縮」や「伸張」など、あらゆる種類の弾性変形を用いても、同様に試料への影響の小さな検出素子の作製が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態１であるＧaＡs片持ち梁を用いたメカニカル検出器を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態１に用いた高純度ＧaＡs結晶の蛍光スペクトルに対する歪の変化を示した模式図である。
【図３】本発明の実施形態２であるＧaＡs片持ち梁を用いたメカニカル検出器を示す構成図である。
【図４】本発明の実施形態２に用いた高純度ＧaＡs結晶の透過スペクトルに対する歪の変化を示した模式図である。
【図５】本発明の実施形態３であるＧaＡs片持ち梁を用いたメカニカル検出器を示す斜視図である。
【図６】光てこを用いた従来のメカニカル力検出器を示す構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  片持ち梁
２  レーザー光源
３  蛍光集光用レンズ
４  ミラー
５  分光器
６  光検出器
２１  片持ち梁
２２  波長可変レーザー光源
２３  光検出器
４１  ＧaＡs基板
４２  光検出器層構造
４２Ａ  光検出素子
４３  Ａl０.７Ｇa０.３Ａs犠牲層
４４  高純度ＧaＡs層
４４Ａ  高純度ＧaＡs片持ち梁
４５  Ａl０.７Ｇa０.３Ａs犠牲層
４６  面発光レーザー層構造
４６Ａ  面発光レーザー素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005300491.tif 000005
【図４】
2005300491.tif 000006
【図５】
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【図６】
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